太陽も津波を引き起こすのでしょうか？新たな研究により、太陽の彩層の「津波」の謎が解明されたかもしれない

中国のSF映画「流転地球」には、地球の自転が止まるため、上海地域の海面が300メートル上昇し、世界中の多くの沿岸地域が津波に飲み込まれるという恐ろしいシーンがあります。津波に対して人間がいかに脆弱であるかが分かります。地球上で最も広範囲に及ぶ爆発的な自然災害の一つである津波は、波の速度が時速800キロメートルに達し、数千キロメートルも移動することがあります。津波は主に海底地震、火山噴火、海底地滑りなどの活動によって引き起こされます。このような激しい爆発活動は地球上で起こるだけでなく、コロナ質量放出やフレアなど太陽でも頻繁に発生します。これらの爆発的な活動は、より高いエネルギーとより大規模な「太陽津波」を引き起こす可能性もあります。

図1: 地球津波（出典: インターネット）

「太陽津波」の「海」

「太陽津波」は太陽大気中を伝播する波動現象であり、太陽大気はこの波動の伝播媒体、つまり「太陽の海」とみなすことができます。地上の津波と同様に、太陽の大気が「太陽津波」の性質を大きく左右します。

太陽は中心核での核融合反応を通じて継続的にエネルギーを生成し、このエネルギーは放射線領域を通って太陽の外部大気へと流れていきます。太陽の大気は内側から外側に向かって光球、彩層、遷移層、コロナに分けられ、プラズマや電離ガスで満たされています。光球は肉眼で見える太陽の明るい円盤で、厚さは約 500 キロメートルです。光球の上には厚さ約2000キロメートルの彩層と厚さ約100キロメートルの遷移層があります。遷移層の向こうにはコロナがあり、惑星間空間まで広がっています。光球の温度は約5000度、彩層の温度は4000～20000度、コロナの温度は数百万度にも達します。太陽大気中のプラズマ密度は、光球、彩層、遷移領域では急激に減少し、コロナではゆっくりと減少します。さらに、太陽の大気は磁場で満たされており、磁場は太陽内部から生成され、常に上空の大気に現れ、最終的には太陽の大気の活動現象に影響を与え、さらには制御さえします。

図 2: 「太陽の海」(出典: Wikipedia)

いかなる混乱も変動を生み出します。地球の大気の乱れによって音波が発生することがありますが、地震波も音波の一種です。太陽の大気圏では、擾乱によって主に磁気音響波が励起されます。磁気音響波は、音波と磁場の変動（磁力線の揺れによって引き起こされるアルヴェン波と呼ばれる変動の一種）が結合したものです。これらの磁気音響波の速度は、毎秒 100 ～ 200 キロメートルから、毎秒数千キロメートルの範囲になります。

「太陽津波」の発見

「太陽津波」は、爆発源から全方向に伝播する円形の波面として太陽大気中に現れます。放射増強は主に極端紫外線帯域に集中しているため、コロナ極端紫外線 (EUV) 波とも呼ばれます。また、1995年に打ち上げられた太陽・太陽圏観測衛星（SOHO）に搭載された極端紫外線撮像望遠鏡（EIT）によって初めて観測されたため、当初はコロナEIT波と呼ばれていました。最初の「太陽津波」は1997年にEITによって検出されたが、その存在は20年以上前に予測されていた。

図3：「太陽津波」 (画像提供: NASA/STEREO)

太陽観測衛星が宇宙に打ち上げられるずっと以前、天文学者は主に地上の望遠鏡を使って太陽を観測していました。 1960 年代初頭、アメリカの天文学者ゲイル・モートンは太陽の彩層で発生する「津波」現象を観測しました。下の図に例を示します。この波は強度は比較的弱いですが、速度は毎秒数千キロメートルを超え、太陽表面のほぼ全域に伝播することができます。後世の人々は、この「彩層津波」をモートン波と呼んだ。

図4：「彩層津波」（出典：国立太陽観測所および米国海軍研究所）

このような高速のモールトン波は彩層で生成されるのでしょうか?彩層のアルヴェーン速度（毎秒約 100 キロメートル）が比較的小さいことを考慮すると、毎秒 1000 キロメートルの高速彩層磁気音響波は非常に強力な衝撃波（マッハ数約 10）でしかあり得ません。しかし、このような強い衝撃波は急速に減衰し、伝播距離も短いはずであり、これは観測結果と一致しません。

この問題を解決するために、1968年に日本の天文学者内田豊は、モールトン波はコロナ内を伝播し彩層を下方に圧縮する高速衝撃波によって残される「足跡」であると提唱しました。このように、モールトン波の速度は、彩層の磁気音響波の速度ではなく、コロナの磁気音響波の速度によって決まります。この理論はモートン波の多くの観測特性を説明することができます。多くの科学理論と同様に、この理論も予測を立てています。太陽コロナに「津波」が起きているのです。コロナ放射は主に極端紫外線（EUV）や軟X線帯域に集中しており、これらの放射は大気を通過して地表に到達できないため、この予測を検証するには太陽観測衛星を上空に打ち上げる必要があります。これは、先ほど紹介した EUV 波または EIT 波の発見に戻ります。

珍しい「彩層津波」 - モールトン波

発見されて以来、モールトン波が観測されたのはわずか数十例に過ぎません。しかし、複数の太陽衛星の打ち上げ以来、何千もの「太陽津波」現象が観測されている。そこで疑問になるのは、「太陽津波」がモートン波の原因であるのに、なぜこれほど多くの「太陽津波」がこれほど少ない「彩層津波」しか生み出さないのか、ということです。では、なぜモートン波はそれほど珍しいのでしょうか?

最近、山東大学宇宙科学研究所の鄭睿生教授と陳耀教授、およびその協力者（南京大学の陳鵬飛教授、北京大学の田慧教授を含む）は、国際学術誌「天体物理学研究レターズ」に論文を発表し、「太陽津波」と「彩層津波」という珍しい謎を解くための重要な証拠を提供した。

研究では、モールトン波を伴うコロナEUV波の場合、波面の底部に鋭く明るい領域があり、コロナと彩層の間のいわゆる遷移層から発生する304オングストロームのスペクトル線にも同様の波動応答があることがわかりました。さらに驚くべきことに、このような現象はすべて斜めバーストによって引き起こされます。したがって、「太陽津波」が「彩層津波」をうまく引き起こす可能性があることを示唆する最も重要な要因の 1 つは、爆発の傾斜が非常に大きい (放射状から約 70 度離れている) 構成です。大きく傾いた「太陽津波」の波面は、太陽の下層大気をより強く圧縮し、「彩層津波」を刺激する可能性があります。非常に傾斜した爆発がまれにしか発生しない、つまり「まれにしか」発生しないことが、天文学者が長い間探し求めてきた「彩層津波」の希少性の主な理由である可能性があります。この研究は、「太陽津波」の励起メカニズムと三次元伝播を総合的に理解する上で大きな意義を持つ。また、傾斜バーストの誘発メカニズムや高エネルギー粒子の加速メカニズムを間接的に明らかにすることができ、宇宙天気予報に重要な情報を提供します。

図5: 斜め噴火における「太陽津波」（出典: Zheng et al. ApJL、2023）

この記事は、科学普及中国星空プロジェクトの支援を受けた作品です。

著者: 鄭瑞生

査読者: ハン・ウェンビオ、中国科学院上海天文台研究員

制作：中国科学技術協会科学普及部

制作：中国科学技術出版有限公司、北京中科星河文化メディア有限公司